中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所程鋒研究員聯(lián)合揭示甘藍類蔬菜馴化的“分子加速器”

　　甘藍類蔬菜作物種類眾多，包括結(jié)球甘藍（圓白菜）、花椰菜、青花菜、芥藍、苤藍、羽衣甘藍、抱子甘藍等十余種變種類型，在世界范圍內(nèi)廣泛種植，是我國最重要的一大類蔬菜作物之一。甘藍類蔬菜的形態(tài)變異十分豐富，如結(jié)球甘藍由多層葉片包裹形成的葉球，抱子甘藍腋芽分化形成的小葉球，青花菜、花椰菜莖頂端分化形成的巨大花球，苤藍莖基部膨大形成的肉質(zhì)球莖等。盡管類型豐富多樣，其馴化歷史相對較短（2500年以內(nèi)，部分約500年）。與其他作物相比，甘藍類蔬菜具有形態(tài)類型快速多樣化馴化的特征。甘藍類蔬菜在較短的馴化過程中形成異常豐富表型變異的機制尚不清楚。因此，揭示甘藍類蔬菜快速馴化的驅(qū)動力，解析調(diào)控不同變種分化和特異性狀形成的遺傳機制是亟待解決的科學問題，對于甘藍類蔬菜的分子設計育種具有重要意義。

 

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種創(chuàng)新團隊執(zhí)行首席程鋒研究員，在前期研究解析十字花科蔬菜種源演化和復雜園藝性狀形成的基礎上，進一步聯(lián)合甘藍類蔬菜遺傳育種創(chuàng)新團隊和荷蘭瓦赫寧根大學植物育種系生長與發(fā)育團隊，在國際著名期刊Nature Genetics上發(fā)表題為“Large-scale gene expression alterations introduced by structural variation drive morphotype diversification in Brassica oleracea”的研究論文，構(gòu)建了包含所有變種類型的甘藍泛基因組，揭示了甘藍變種快速馴化的隱藏驅(qū)動力，獲得了一批重要性狀的關(guān)鍵基因。

 

　　該研究首先利用700余份甘藍野生種和覆蓋所有變種材料的重測序數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，發(fā)現(xiàn)甘藍變種主要起源于兩個獨立的馴化事件，一個馴化形成了以葉片/葉球形態(tài)多樣化為主的分支，另一個形成了以莖和花膨大等形態(tài)變異為主的分支。據(jù)此選取了22個代表性野生甘藍和變種材料，利用PacBio，Nanopore，Bionano和Hi-C等測序技術(shù)，構(gòu)建了染色體水平的高質(zhì)量基因組，其序列連續(xù)性、著絲粒完整性等與已發(fā)表的甘藍基因組相比顯著提升。

 

　　甘藍變種除了形態(tài)多樣之外，代謝物、風味等營養(yǎng)品質(zhì)性狀也豐富多樣。基于22個新組裝基因組和5個已發(fā)表的三代基因組，該研究構(gòu)建了包含多個野生種和所有變種的甘藍泛基因組圖譜。比較甘藍變種之間的同源基因保留情況，發(fā)現(xiàn)不同變種特異的基因丟失/保留存在著顯著差異，且這些基因富集于特殊代謝物合成途徑等。例如，在青花菜中的這些基因與硫酸鹽轉(zhuǎn)運、硫酯水解酶活性等代謝通路相關(guān)，而在苤藍中該類基因與α-葡萄糖、維他命B6合成相關(guān)。研究結(jié)果提示這些在馴化過程中特異性丟失/保留的基因與甘藍蔬菜變種的營養(yǎng)成分、風味品質(zhì)等差異性形成相關(guān)。

 

 

　　比較27個甘藍基因組的序列差異，發(fā)現(xiàn)不同甘藍變種基因組之間存在大量的結(jié)構(gòu)變異（SV），且大多數(shù)（73%）位于基因上下游區(qū)域，這些SV不影響基因本身的功能而被保留和積累下來。研究發(fā)現(xiàn)約70%的基因表達變化與SV的狀態(tài)相關(guān)，SV序列既可以促進基因的表達，也可以抑制基因的表達，促進基因表達的SV序列中含有顯著多的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點，而抑制基因表達的SV序列具有顯著高的DNA甲基化修飾水平。這些結(jié)果說明甘藍變種間大量存在的SV通過調(diào)控相鄰基因的表達劑量推進甘藍變種多樣性的形成。

 

　　該研究進一步構(gòu)建了甘藍的圖形基因組，在700多份甘藍群體材料中開展變種特異性馴化選擇分析，挖掘到一批在不同變種中受到特異性馴化選擇的SV及相關(guān)基因。例如：在青花菜/花椰菜中定位了維持花序分生組織同一性和花輪形態(tài)發(fā)生的基因PNY，其啟動子區(qū)域的SV在青花菜/花椰菜中受到了強烈的馴化選擇，該SV促進了PNY在青花菜/花椰菜中的顯著高表達；另一個SV位于青花菜/花椰菜CKX3基因的下游，促進了該基因在花球發(fā)育期（細胞分裂素氧化酶）的葉片中的表達，從而抑制葉片的生長。另外，在結(jié)球甘藍定位了葉球發(fā)育背腹性調(diào)控基因KAN1下游的SV，該SV顯著抑制了該基因在結(jié)球甘藍中的表達；在觀賞羽衣甘藍中發(fā)現(xiàn)了一個受到特異性選擇而完全固定的SV，其促進了相鄰轉(zhuǎn)錄因子基因MYB的表達，該SV是由轉(zhuǎn)座子的插入形成，分子實驗證實了該插入序列對基因的轉(zhuǎn)錄激活作用。

 

　　綜上所述，該研究構(gòu)建了高質(zhì)量的甘藍泛基因組和圖形基因組，揭示了SV是大量基因表達劑量改變的重要調(diào)節(jié)因子，驅(qū)動了甘藍形態(tài)類型多樣化的快速馴化。該研究為甘藍變種形成的馴化機制提供了新的見解。該研究中建立的“結(jié)構(gòu)變異-基因表達改變-表型變異”的調(diào)控模型，加深了對于結(jié)構(gòu)變異調(diào)控性狀形成機制的理解，對于回答“植物表型多樣化是如何形成的”這一重大科學問題具有重要意義。另外，研究成果首次揭示了基因表達劑量是基因丟失或功能變異之外的馴化選擇作用的重要對象，對于其他作物的馴化研究具有參考價值。

 

　　中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所博士生李幸、副研究員王勇、荷蘭瓦赫寧根大學蔡成成博士（現(xiàn)就職于中國農(nóng)科院蔬菜花卉所）、中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所季家磊副研究員、韓風慶助理研究員、張磊助理研究員為該論文的共同第一作者；中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所程鋒研究員、張揚勇研究員、荷蘭瓦赫寧根大學Guusje Bonnema副教授、中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所呂紅豪研究員、張亢副研究員為該論文的共同通訊作者。本研究得到了蔬菜生物育種全國重點實驗室、國家自然科學基金、中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物生物學與遺傳改良重點實驗室、以及荷蘭TKI項目的資助。謹以此文緬懷甘藍育種家方智遠院士。

 

　　論文鏈接：

 

　　https://www.nature.com/articles/s41588-024-01655-4

 

 

　　甘藍類蔬菜作物表型變異極其豐富，是研究器官特異性馴化的良好系統(tǒng)。中國農(nóng)科院蔬菜花卉所研究團隊在《Nature Genetics》上發(fā)表的這項研究充分利用了甘藍類蔬菜作物豐富的形態(tài)特征，通過泛基因組和大規(guī)模多組學數(shù)據(jù)分析，來回答它們是如何在較短的時間內(nèi)馴化出如此多樣的變種類型。這項研究揭示了結(jié)構(gòu)變異（SV）調(diào)控基因表達是甘藍多樣性進化的“分子加速器”這一重要規(guī)律。甘藍群體中的結(jié)構(gòu)變異能夠改變重要性狀調(diào)控基因的表達劑量，進而驅(qū)動一系列甘藍形態(tài)多樣性的形成。這一規(guī)律具有普遍性，相關(guān)成果不僅為農(nóng)作物的應用基礎研究提出了新的方向，也為未來種質(zhì)創(chuàng)制與育種策略的制訂提供了新思路。比如，可通過基因組設計和基因編輯，利用結(jié)構(gòu)變異精細改變目標基因的表達，設計創(chuàng)造出更多變異豐富、形態(tài)多樣的農(nóng)作物新種質(zhì)。

 

 

　　中國農(nóng)科院蔬菜花卉所在《Nature Genetics》上發(fā)表的這篇論文是十字花科作物馴化研究的又一重大成果，揭示了甘藍變種的重要馴化機制。這項工作構(gòu)建了迄今為止規(guī)模最大、質(zhì)量最高的甘藍泛基因組，并創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變異能夠引入新的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點或改變DNA甲基化水平等方式，改變臨近基因的表達。這些基因表達劑量的改變產(chǎn)生一系列形態(tài)多樣性，其經(jīng)過馴化選擇推動了甘藍變種類型的多樣化。這項研究率先揭示了基因表達劑量作為馴化作用對象的馴化選擇新模式，是對基因丟失或功能變異等馴化作用對象的重要補充；同時凸顯了結(jié)構(gòu)變異（SV）作為基因表達劑量調(diào)節(jié)因子在作物馴化和表型多樣化中的重要作用。研究成果可為其他作物的馴化研究等提供參考。同時，這一成果也再次證明我國在十字花科基因組學領域處于國際領先地位。